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Die Aufgabe von Hämoglobin scheint recht einfach zu sein: Es transportiert Sauerstoffmoleküle durch die Blutbahn. Das funktioniert aber nur so gut, weil das Hämoglobinmolekül sehr komplex ist. Gleiches gilt für Chlorophyll, das Sonnenlicht in Energie für Pflanzen umwandelt.

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Um die subtilen Tricks solcher komplexen Moleküle zu verstehen, lohnt es sich, ähnliche, aber einfachere Strukturen im Labor zu untersuchen. Forscher der TU Wien und Triest untersuchten Phthalocyanine, deren molekulare Ringstruktur den entscheidenden Abschnitten von Hämoglobin oder Chlorophyll sehr ähnlich ist. Es stellt sich heraus, dass das Zentrum dieser Ringstrukturen bei grünem Licht in verschiedene Zustände geschaltet werden kann, was ihr chemisches Verhalten beeinflusst.

Das hilft nicht nur, biologische Prozesse zu verstehen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten, die Tricks der Natur im Labor für andere Zwecke zu nutzen – eine Strategie namens Biomimetik, die immer wichtiger wird.

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Ringe mit Metallatomen im Zentrum

„Die Phthalocyanine, die wir untersuchen, sind bunte Farbstoffe mit einer charakteristischen Ringstruktur“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der Technischen Universität Wien. „Entscheidend für diese Ringstruktur ist, dass sie ein Eisenatom in ihrem Zentrum halten kann – genau wie Häm, der ringförmige rote Farbstoff im Hämoglobin. Chlorophyll hat einen ähnlichen Ring, der Magnesiumatome einfängt. “

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Im Gegensatz zu den komplizierteren natürlichen Molekülen können die maßgeschneiderten Phthalocyaninfarbstoffe regelmäßig Seite an Seite auf einer Oberfläche platziert werden, wie Fliesen an einer Badezimmerwand. „Die Ringe wurden in einem regelmäßigen Muster auf eine Graphenschicht gelegt, so dass ein zweidimensionaler Kristall aus Farbringen entstand“, sagt Matteo Roiaz, der die Experimente zusammen mit Christoph Rameshan durchführte.

„Das hat den Vorteil, dass wir viele Moleküle gleichzeitig untersuchen können, was uns viel stärkere Messsignale gibt“, erklärt Rameshan.

Badezimmer Fliesen - Inspiration | struktur fliesen

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Kohlenmonoxidmoleküle dienten als Sonden zur Untersuchung dieser Ringe: Ein Molekül kann sich an das Eisenatom binden, das in der Mitte des Rings gehalten wird. Aus der Vibration des Kohlenmonoxidmoleküls kann man Informationen über den Zustand des Eisenatoms gewinnen.

Um die Vibration zu untersuchen, wurde das Molekül mit grünem und infrarotem Laserlicht bestrahlt. Diese Messung ergab ein Ergebnis, das auf den ersten Blick stark kontraintuitiv erschien: „Wir haben nicht nur eine einzige Schwingungsfrequenz von Kohlenmonoxid gemessen. Stattdessen fanden wir vier verschiedene Frequenzen. Das hatte niemand erwartet“, sagt Günther Rupprechter. „Die Eisenatome sind alle identisch, also sollten die daran gebundenen CO-Moleküle genau das gleiche Verhalten zeigen.“

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Wie sich herausstellte, war das grüne Licht des Lasers für einen bemerkenswerten Effekt verantwortlich. Zuerst waren zwar alle Eisenatome identisch, aber die Wechselwirkung mit grünem Licht kann sie in verschiedene Zustände versetzen. „Dadurch ändert sich auch die Schwingungsfrequenz des CO-Moleküls am Eisenatom, was uns zeigt, wie empfindlich solche Strukturen auf winzige Veränderungen reagieren“, sagt Günther Rupprechter. „Das ist auch der Grund, warum die Biomoleküle in unserem Körper eine so komplexe Struktur haben – die weit verzweigten Proteinkomponenten haben einen minimalen Einfluss auf die Zustände des Metallatoms, aber dieser minimale Einfluss kann sehr wichtige Auswirkungen haben.“

Messung bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck

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Bisher konnten ähnliche Effekte nur bei extrem niedrigen Temperaturen und im Ultrahochvakuum untersucht werden. „Im Labor haben wir nun zwei Methoden, mit denen solche biologisch relevanten Phänomene bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, mit und ohne grünes Licht, gemessen werden können“, betont Rupprechter. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zum besseren Verständnis des chemischen Verhaltens biologischer Substanzen; es könnte auch die Möglichkeit eröffnen, neue Moleküle maßzuschneidern, um sie für naturspezifische chemische Zwecke zu optimieren.

Mehr Informationen:
M. Corva et al, Vibrational fingerprint of localized excitons in einem zweidimensionalen metallorganischen Kristall, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-07190-1

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Badezimmerklassik - feine Struktur weißer Fliesen | Ceramika Paradyz | struktur fliesen

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